1

Практичне заняття

Дослідження ефективності роботи

геліоколекторів.

Тест 1. Типи сонячних колекторів Будерус. Чим вони принципово

відрізняються?

2. Яка температура теплоносія в колекторі в режимі стогнації?

3. Як часто і яким способом перевіряється якість теплоносія?

4. Який принцип автоматичного керування закладений в регуляторах для

геліоустановок? Типи «сонячних» регуляторів Будерус?

5. Які системи керування Будерус підтримують функції ГВП та підтримки

опалення від геліосистеми?

2

6. Який оптимальний кут нахилу колекторів?

7. Яка мінімальна температура зовнішнього повітря, при якій допускається

експлуатація сонячних колекторів?

8. У якому співвідношенні необхідно розбавляти готову суміш глікоголя з

водою при заповненні сонячного контура?

3

1. Опис експериментальної установки

На рис. 1 показано принципову теплову схему трьохконтурної системи

сонячного теплопостачання. Основними елементами схеми є три різних типи

сонячних колекторів (К1,К2,К3) та комбінований буферний накопичувач для

приготування води гарячого водопостачання та підтримки опалення (К7).

Рис.1. Принципова теплова схема

4

К1 – високоефективний плаский колектор SKS 4.0, К2 – вакуумний

сонячний колектор SPS, К3 –плаский колектор SKN 3.0, К4 - двотрубна

комплектна станція керування сонячного колектору, К5 – мембранний

розширювальний бак розсільного контуру сонячного колектору, К7 -

комбінований буферний накопичувач для приготування води гарячого

водопостачання та підтримки опалення, К11 - циркуляційний насос контуру

гарячого водопостачання, К12 - циркуляційний насос контуру системи

опалення, 5 – теплолічильник контуру сонячного колектору, 6 – теплолічильник

контуру системи опалення; 7 – витратомір холодної води на потреби гарячого

водопостачання, 8 – витратомір циркуляційної лінії гарячого водопостачання., 9

– теплолічильник додаткового джерела енергії (теплового насосу).

Таблиця. 1. Технічні характеристики сонячних колекторів

Тип колектору

Характеристика плоский сонячний колектор Logasol

SKN3.0

вакуумний колектор

високоефективний плоский колектор

Logasol SKS4.0 Загальна поверхня, м2 2,37 1,83 2,37

Поверхня яка приймає сонячне випромінювання, м2

2,26 1,7 2,1

Поверхня, яка поглинає сонячне випромінювання, м2

2,23 1,7 2,1

Коефіцієнт абсорбції, % 95±2 95±2 95±2

Коефіцієнт випромінювання, %

12±2 5±2 5±2

Коефіцієнт корисної дії, % 77 85,1

Первинний контур сонячного колектору складається з сонячних

колекторів, двотрубних комплектних станція керування сонячними

колекторами та вбудованого теплообміннику комбінованого буферного

5

накопичувача. Теплоносієм сонячного колектору є суміш гліколю з водою у

співвідношенні 50:50. Вторинний контур – це контур системи опалення

складається з безпосередньо комбінованого буферного накопичувача,

автоматичного триходового регулюючого клапану та циркуляційного насосу

системи опалення. Теплоносій вторинного контуру – хімочищенна вода, що

рухається по внутрішній ємкості комбінованого буферного накопичувача, якій

передається тепло через вбудований теплообміннику. Теплоносієм контуру

системи гарячого водопостачання є сира вода з водопроводу. Контур системи

гарячого водопостачання складається з вбудованого баку-водонагрівачу,

триходового регулюючого клапану прямої дії та циркуляційного насосу гарчого

водопостачання. Вода з водопроводу направляється до вбудованого баку-

водонагрівачу, в якому вона нагрівається від контуру системи опалення, яка

циркулює у внутрішній ємкості комбінованого буферу накопичувача. У

внутрішньому вбудованому баці-водонагрівачі вода може нагріватися до

температури вище 60 оС, тому для підтримання максимальної температури води

на потреби гарячого водопостачання не вище 60 оС встановлено триходовий

клапан прямої дії, який підмішує сиру воду з водопроводу до необхідної.

Циркуляційна вода гарячого водопостачання повертається до вбудованого

баку-водонагрівачу.

Показником ефективності колектора сонячної енергії є його коефіцієнт

корисної дії (ККД) – відношення корисної теплової енергії до падаючої

сонячної енергії:

FIQк

, (1)

де кQ - теплопродуктивність колектора, Вт;

І – інтенсивність сонячної радіації Вт/м2;

F – площа колектора, м2.

Теплопродуктивність колектора визначається за формулою:

)( ttCGQ рк , (2)

де G - масова витрата теплоносія, кг/с;

6

Ср – питома масова теплоємність теплоносія, Дж/(кгК);

tt , - температури теплоносія на виході та вході в абсорбер, 0С.

Для врахування впливу ефективності кожного з елементів конструкції

колектора (світо прозорості засклення, товщини теплоізоляції корпусу, ступеня

селективності абсорбера) на величину ККД всієї сукупності елементів, що

складають сонячний колектор, використовують наступну залежність [4]:

ФtКе

0 , (3)

де 0 - оптичний ККД сонячного колектора, дорівнює:

с 0 , де - коефіцієнт пропускання сонячного випромінювання; с -

коефіцієнт поглинання абсорбера;

еК - ефективний коефіцієнт тепловтрат колектора сонячної енергії, що

узагальнено враховує всі складові втрат енергії, Вт/(м2К);

зовнttt , де t - температура теплоносія на вході в абсорбер, 0С; зовнt -

температура зовнішнього повітря, 0С.

Величини 0 та еК визначаються експериментально для різних типів

сонячних колекторів та наводяться в літературних даних [4]. При дослідженні

ефективності роботи сонячних колекторів інших конструкцій для отримання

відповідної інформації потрібно звертатися до виробника обладнання.

Велике вплив на значення ККД сонячного колектора має температура

теплоносія на вході в колектор: чим нижча температура, тим менші теплові

втрати і вище ККД. За досвідом експлуатації пласких сонячних колекторів,

підвищення густини потоку сонячного випромінювання від 300 до 1000 Вт/м2

призводить до підвищення ККД від 32 до 59%, а при підвищенні температури

зовнішнього повітря від 20 до 30 оС ККД збільшується від 41 до 55% [4, 5].

Густина поглиненої перетвореної енергії розраховується за формулою:

FEq , (4)

де Е – середній потік поглиненої перетвореної сонячної енергії за певний

проміжок часу годину, добу, місяць), кВтгод;

7

F – робоча площа поверхні колектора, м2.

2. Порядок проведення роботи

1. Ознайомитись з конструктивною схемою експериментальної установки та її

основними структурними елементами.

2. За даними з теплолічильника, встановленого в контурі теплоносія сонячного

колектора, зафіксувати наступні параметри для відповідних моментів часу: tt , - температури теплоносія (суміш гліколю з водою) на вході та виході з

сонячного колектору відповідно, оС;

tк – температура теплоносія в сонячному колекторі, оС;

G – витрата теплоносія, м3/год;

Qк – теплопродуктивність колектора, кВт;

Виміри проводити впродовж роботи насосів сонячних станцій через

кожних 3 – 5 хвилин.

3. За даними вимірів (наприклад, за допомогою піранометру) записати

інтенсивність сонячної радіації I, Вт/м2 для відповідних моментів часу. При

необхідності ці дані можна отримати з Гідрометеоцентру. Статистичні дані

наведено в додатку 1.

4. Фіксуємо температуру зовнішнього повітря tзовн для відповідних моментів

часу.

5. Провести аналогічні виміри на кожному з трьох типів сонячних колекторів

для певного періоду часу, наприклад, на протязі години; щоденно на протязі

декількох годин; добові на протязі місяця.

6. Занести експериментальні дані для кожного сонячного колектору в табл. 1.

Дані спостережень можуть бути отримані за допомогою ручних вимірів або за

допомогою автоматичного моніторингу.

7. Провести експериментальну обробку інформації: розрахунки, побудову

залежностей, тощо.

8

8. Порівняти експериментальні дані та оброблені результати розрахунків

ефективності різних типів сонячних колекторів.

Таблиця 1. Експериментальні дані SKS 4.0

Час,

G, м3/год

Qк , кВт

t , оС

t , оС

tк, оС

I, Вт/м2

tзовн, оС

Виміри проводити впродовж роботи насосів сонячних станцій через кожних 3 –

5 хвилин.

9

Таблиця 2. Експериментальні дані VK 180

Час,

G, м3/год

Qк , кВт

t , оС

t , оС

tк, оС

I, Вт/м2

tзовн, оС

Таблиця 3. Експериментальні дані SKN 3.0

Час,

G, м3/год

Qк , кВт

t , оС

t , оС

tк, оС

I, Вт/м2

tзовн, оС

10

3. Обробка експериментальних даних

1) Обчислимо теплопродуктивність колектора для кожного вимиру:

''' ttCGQ ppk

де

tt , - температури теплоносія на виході та вході в абсорбер, 0С;

G - об’ємна витрата теплоносія, м3/с;

pC - теплоемність розсолу (суміш пропіленгликолю з водою), кДж/кг∙0С.

Для розрахунків можна прийняти:

- теплоємність пропіленгликолю СкгкДжС ПРОПИЛЕНр0

.. /483,2 при t=20 0С;

- теплоємність води СкгкДжС ВОДИр0

.. /19,4

рРОЗСОЛУС

- густина розсолу, для технічних розрахунків можно прийняти = 1010 кг/м3.

2) Обчислимо кількість прозведеного тепла кожним колектором за

проміжок 3-5 хвилин.

kQQ кВт∙год

3) Обчислимо сумарну кількість прозведеного тепла кожним колектором

за визначений період:

Q

4) Густина теплопродуктивноті колектора:

FQ

q кВт∙год/м2

11

де Е – середній потік поглиненої перетвореної сонячної енергії за певний

проміжок часу, кВтгод;

F – робоча площа поверхні колектора, м2. Технічні характеристики

відповідних колекторів наведено в п.3 «Опис експериментальної установки».

5) Коефіцієнт корисної дії колектора

FIQк

, (1)

де кQ - теплопродуктивність колектора, Вт; І – інтенсивність сонячної

радіації Вт/м2.

6) Обчислимо кількість тепла, отримане водою в буферній емності за

період нагріву:

''' ttCVQ pбk

де - Vб – об’єм води у буферній ємності , м3

- Ср – телоємність води, 1,163 Вт∙год/кг∙0С

- - густина води, 1000 кг/м3

- t”та t’ – температура води на початку та на прикінці нагріву.

12

Результати обчислень занести в таблиці 4,5,6.

Таблиця 4. Результати обчислень для SKS 4.0

№п/п , годин Q , кВт∙год

q кВт∙год/м2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Таблиця 5. Результати обчислень для VK180

№п/п , годин Q , кВт∙год

q кВт∙год/м2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13

Таблиця 6. Результати обчислень для SKN 3.0

№п/п , годин Q , кВт∙год

q кВт∙год/м2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Побудувати наступні залежності.

1) Залежність теплопродуктивність трьох типів колекторів Qк кВт від зміни

інтенсивності сонячної радіації І, Вт/м2 в часі (див. рис.2а).

2) Залежність температури теплоносія на виході з колектора t , оС від зміни

інтенсивності сонячної радіації І, Вт/м2 в часі (див. рис.2б).

3) Залежність середнього потоку поглиненої перетвореної сонячної енергії

за визначений проміжок часу (наприклад, годину) E , кВтгод/год та ККД

від часу для трьох типів колекторів (див. рис.2в). Додатково нанести

також на цей графік температуру зовнішнього повітря

Загальний вигляд залежностей показано на рисунку 2.

14

а б

0

100

200

300

400

500

600

9 10 11 12 13 14 15 16 17

час, годин

E, I

0,540,560,580,60,620,640,660,680,70,72

ККД

EIккд

в

Мал. 2. Загальний вигляд залежностей

15

Характеристики антифризу (50% - вода, 50%-пропіленгліколь) Т ºС

p kg/m3

Ср kJ/(kg K)

λ W/(m K)

μ

10-5 Pa·s

ν cSt

-25 1063,44 3,357 0,311 11059,295 103,995 -20 1061,49 3,376 0,334 7302,442 68,794 -15 1059,42 3,395 0,338 4969,500 46,908 -10 1057,23 3,414 0,342 3478,551 32,902 -5 1054,94 3,434 0,345 2499,546 23,694 0 1052,55 3,453 0,349 1840,167,- 17,483 5 1050,06 3,472 0,352 1385,409 13,194 10 1047,46 3,491 0,355 1064,773 10,165 15 1044,78 3,511 0,358 832,022 7,983 20 1041,99 3,530 0,361 664,771 6,380 25 1039,12 3,549 0,364 538,423 5,182 30 1036,1 3,569 0,367 442,550 4,271 35 1033,08 3,588 0,369 368,696 3.569 40 1029,92 3,607 0,372 311,002 3,020 45 1026,67 3,627 0,374 265,344 2,585 50 1023.32 3.646 0,375 228,775 2.236 55 1019,88 3,665 0,337 199,158 1,953 60 1016,33 3,684 0,378 174,921 1,721 65 1012,69 3.704 0,379 154,896 1,530 70 1008,94 3,723 0,380 138,203 1,370 75 1005,09 3,742 0,381 124,172 1,235 80 1001,13 3,762 0,381 112,285 1,122 85 997,06 3,781 0,382 102,144 1,024 90 992,88 3.801 0,382 93,432 0,941 95 988,59 3,820 0,382 85,901 0,869 100 984,17 3,839 0,381 79,352 0,806